CN116259962A - 一种采用谐振移相结构的反射型超表面单元及其阵列天线 - Google Patents

一种采用谐振移相结构的反射型超表面单元及其阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用谐振移相结构的反射型超表面单元及其阵列天线，包括谐振移相结构、介质基板、空气层和金属地；谐振移相结构包括辐射贴片、金属化通孔和矩形金属片；辐射贴片印刷在介质基板的上表面，包括工字型贴片和两个T型贴片；每个T型贴片的横向矩形片与工字型贴片对应侧的横向端片之间均具有等间距的缝隙结构；矩形金属片沿Y轴印刷在介质基板和空气层之间的接触面上；矩形金属片的两端各通过一个金属化通孔与正上方T型贴片的尾端相连接。本发明仅通过改变缝隙结构的尺寸，改变等效电容，控制等效电路谐振点的偏移，进而实现合适的反射相移曲线，实现宽带化设计，简单且便于参数优化，提高反射型超表面天线的设计效率。

Description

一种采用谐振移相结构的反射型超表面单元及其阵列天线
技术领域
本发明涉及微波与天线技术领域，特别是一种采用谐振移相结构的反射型超表面单元及其阵列天线。
背景技术
随着测控技术和测控方式的不断发展，传统抛物面天线由于波束单一，机械伺服控制扫描速度慢，在实际应用中弊端不断显现，尤其是在多目标测控中，很难对多个目标进行快速响应，而相控阵天线通过电控扫描机制，可以进行灵活的波束扫描，实现多目标探测与跟踪，但是馈电网络复杂，成本极其高，很难在低成本系统中投入使用。反射型超表面天线，结合二者优点，既有简单的设计结构，又可以实现波束的任意调控，同时大大降低制作成本，在测控领域有广阔的应用前景。
对于反射型超表面天线的设计，合适的超表面单元是实现优异性能的关键所在，尤其是对于宽带超表面天线的设计。超表面单元大致可以分为以下类型：多谐振结构、加载相位延迟线结构、开槽型结构等。其中，多谐振结构通过控制谐振的结构的数量，可以有效提高单元的反射相移，对不同结构的参数进行合理优化，可以调节相移曲线的线性度，实现单元的宽带化设计。而目前常见的多谐振结构单元大多存在结构复杂、参数多、难以优化等问题，对于效果较好的单元往往需要多个参数共同作用，才能得到合适的相移曲线，进一步增加了设计难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种采用谐振移相结构的反射型超表面单元及其阵列天线，该采用谐振移相结构的反射型超表面单元及其阵列天线仅通过改变缝隙结构的尺寸，改变等效电容，控制等效电路谐振点的偏移，进而实现合适的反射相移曲线，实现宽带化设计，简单且便于参数优化，提高反射型超表面天线的设计效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种采用谐振移相结构的反射型超表面单元，包括谐振移相结构、介质基板、空气层和金属地。
介质基板、空气层和金属地从上至下依次叠合设置，且横截面均为正方形，均具有相互垂直的两条对称轴X轴和Y轴。
谐振移相结构关于X轴和Y轴对称，包括辐射贴片、金属化通孔和矩形金属片。
辐射贴片沿Y轴印刷在介质基板的上表面，包括工字型贴片和对称布设在工字型贴片两侧的两个T型贴片。
工字型贴片包括纵向连接片和对称布设在纵向连接片两端的两个横向端片；
每个T型贴片均包括横向矩形片和纵向矩形片。
每个T型贴片的横向矩形片与工字型贴片对应侧的横向端片之间均具有等间距的缝隙结构。
矩形金属片沿Y轴印刷在介质基板和空气层之间的接触面上；矩形金属片的两端各通过一个所述金属化通孔与正上方T型贴片的纵向矩形片的尾端相连接。
工字型贴片和两个T型贴片形成可变谐振电容结构，通过两个金属化通孔连接矩形金属片形成闭合回路；通过调节两个缝隙结构沿X向的长度，能够调节闭合回路中的谐振电容，实现反射型超表面单元的相位变化。
通过调节两个横向端片和两个横向矩形片的长度，从而能够调节两个缝隙结构沿X向的长度。
介质基板的边长为15mm；两个横向端片和两个横向矩形片的长度相等，且变化范围均为(2.3mm，15mm)。
介质基板厚度为1.524mm，相对介电常数为2.2，空气层厚度为1mm。
两个横向端片和两个横向矩形片的长度变化范围均为2.5mm～14.5mm。
纵向连接片的长度为2.6mm、宽度为2.3mm；两个横向端片和两个横向矩形片的宽度均为1.2mm；纵向矩形片的长度为2.1mm、宽度为2.3mm；矩形金属片的长度为12mm、宽为0.5mm；每个金属化通孔的半径均为0.5mm。
一种反射型超表面阵列天线，包括馈源和反射型超表面。
馈源为X频段角锥喇叭天线，用于向反射型超表面进行空间馈电。
反射型超表面采用权利要求1-5任一项所述的反射型超表面单元呈n*n的阵列排布形成；其中，n为正整数。
馈源的馈电方式为正向馈电，极化方向与反射型超表面单元的Y向相一致。
n＝20。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明仅通过改变缝隙结构的尺寸，改变等效电容，控制等效电路谐振点的偏移，进而实现合适的反射相移曲线，实现宽带化设计，简单且便于参数优化，提高反射型超表面天线的设计效率。
2、反射型超表面天线工作的中心频率为10GHz。
3、本发明在等效谐振电路的控制中更具灵活性，更容易实现超表面天线的宽带化设计。
附图说明
图1显示了本发明一种采用谐振移相结构的反射型超表面单元的结构示意图。
图2显示了图1沿Y轴的纵剖面图。
图3显示了本发明的反射型超表面单元在不同频率时的反射相移曲线。
图4显示了本发明的反射型超表面单元在不同频率时的反射幅度曲线。
图5显示了本发明一种反射型超表面天线中反射型超表面的结构示意图。
图6显示了本发明一种反射型超表面天线的结构示意图。
图7显示了本发明中反射型超表面天线的E面归一化辐射方向图。
图8显示了本发明中反射型超表面天线的H面归一化辐射方向图。
图9显示了本发明中反射型超表面天线的增益曲线。
图10显示了本发明中反射型超表面天线的口径效率曲线。
其中有：
1.辐射贴片；1-1.横向端片；1-2.纵向连接片；1-3.横向矩形片；1-4.纵向举行片；
2.介质基板；3.空气层；4.金属地；5.金属化通孔；6.矩形金属片；
7.反射型超表面；8.馈源。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种采用谐振移相结构的反射型超表面单元，优选为边长为15mm的正方形，包括谐振移相结构、介质基板2、空气层3和金属地4。
介质基板、空气层和金属地从上至下依次叠合设置，且横截面均为正方形，均具有相互垂直的两条对称轴X轴和Y轴。
上述介质基板厚度优选为1.524mm，相对介电常数优选为2.2，空气层厚度优选为1mm。
谐振移相结构关于X轴和Y轴对称，包括辐射贴片1、金属化通孔5和矩形金属片6。
辐射贴片沿Y轴印刷在介质基板的上表面，包括工字型贴片和对称布设在工字型贴片两侧的两个T型贴片。
工字型贴片包括纵向连接片1-2和对称布设在纵向连接片两端的两个横向端片1-1。
每个T型贴片均包括横向矩形片1-3和纵向矩形片1-4。
上述两个横向端片和两个横向矩形片的长度优选相等，且变化范围均为不小于2.3mm且不大于15mm，进一步优选为2.5mm～14.5mm。两个横向端片和两个横向矩形片的宽度均优选为1.2mm；纵向矩形片的长度优选为2.1mm、宽度优选为2.3mm。
上述纵向连接片的长度优选为2.6mm、宽度优选为2.3mm。
每个T型贴片的横向矩形片与工字型贴片对应侧的横向端片之间均具有等间距的缝隙结构。
矩形金属片沿Y轴印刷在介质基板和空气层之间的接触面上；矩形金属片的两端各通过一个金属化通孔与正上方T型贴片的纵向矩形片的尾端相连接。矩形金属片的长度优选为12mm、宽优选为0.5mm；每个金属化通孔的半径均优选为0.5mm。
工字型贴片和两个T型贴片形成可变谐振电容结构，通过两个金属化通孔连接矩形金属片形成闭合回路；通过调节两个缝隙结构沿X向的长度，能够调节闭合回路中的谐振电容，实现反射型超表面单元的相位变化。
通过调节两个横向端片和两个横向矩形片的长度，从而能够调节两个缝隙结构沿X向的长度。当两个缝隙结构的长度从2.5mm变化到14.5mm的过程中，能实现大于360度的单元反射相移曲线。从图3和图4可知，随着缝隙结构长度的变化，单元相移曲线的变化范围约为360度，9GHz、10GHz、11GHz的相移曲线近似平行，满足反射型超表面单元的宽带化设计要求，同时单元的反射幅度均小于-0.1dB，具有很好的反射性能。
如图5和图6所示，一种反射型超表面阵列天线，包括馈源8和反射型超表面7。
馈源为X频段角锥喇叭天线，用于向反射型超表面进行空间馈电。本实施例中，馈源的馈电方式为正向馈电，极化方向与反射型超表面单元的Y向相一致，馈源波束为-z方向，指向超表面，反射波束指向为+z方向，正入正出形式。
反射型超表面(也可简称超表面)采用反射型超表面单元呈n*n的阵列排布形成；其中，n为正整数。本实施例中，优选n＝20，共计400个反射型超表面单元(也可简称超表面单元)，反射型超表面的边长D优选为300mm。
反射型超表面天线工作在X波段，中心频率为10GHz，3-dB增益带宽可覆盖8.5GHz-12GHz。
馈源采用X频段的角锥喇叭天线，E面和H面的半功率波束宽度均为47度，用于向反射型超表面进行正向空间馈电，焦径比F/D设为0.74。
如图7所示，反射型超表面采用新型谐振结构的超表面单元，排列成n*n的阵列形式；其中，n为正整数，优选为n＝20。也即反射型超表面由20*20个超表面单元组成，边长D优选为300mm。
不同超表面单元中辐射贴片的工字型贴片与T型贴片之间的缝隙结构长度，由超表面到馈源相位中心的距离、超表面单元在超表面上的位置、及所需要的反射波束方向所决定。
每个反射型超表面单元所需要的补偿相位
Figure BDA0004104843670000051
进行计算：
Figure BDA0004104843670000052
其中，(xi,yi)为超表面中第i个反射型超表面单元的中心坐标，k0为电磁波在真空中的传播常数，Ri为馈源与第i个反射型超表面单元之间的欧氏距离，(θ0,φ0)为超表面的反射波束指向。
超表面中每个反射型超表面单元与馈源相位中心之间的空间距离不同，因此超表面中不同位置的反射型超表面单元需要的补偿相位不同，即每个反射型超表面单元中缝隙结构长度不同，从而将馈源发出的球面波经超表面反射之后形成+z方向的平面波。
通过公式(1)计算得到超表面中每个反射型超表面单元所需要的补偿相位的值，结合图3给出的反射型超表面单元相移曲线，得到每个单元所需要的缝隙结构长度。
从图7的仿真结果可以看出，中心频率处主极化旁瓣电平低于-17dB，交叉极电平低于-110dB，中心频率附近处，主极化旁瓣电平略有升高，但仍低于-13dB，交叉极化电平同样小于-110dB。
从图8的仿真结果可以看出，中心频率处主极化旁瓣电平低于-18dB，交叉极电平低于-55dB，中心频率附近处，主极化旁瓣电平略有升高，但仍低于-13dB，交叉极化电平小于-60dB。
从图7和图8的仿真结果可以看出，所设计的反射型超表面天线，远场辐射方向图具有很好的波束指向，切波束宽度相对较窄。
从图9可知，超表面天线在9.5GHz获得最大增益约为28.3dBi，10GHz的增益为28.2dBi，1-dB增益带宽约为15％，3-dB增益带宽约为31％，具有较好的宽带性能。
从图10可知，超表面天线在9.5GHz获得最大口径效率可达58.9％。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用谐振移相结构的反射型超表面单元，其特征在于：包括谐振移相结构、介质基板、空气层和金属地；
介质基板、空气层和金属地从上至下依次叠合设置，且横截面均为正方形，均具有相互垂直的两条对称轴X轴和Y轴；
谐振移相结构关于X轴和Y轴对称，包括辐射贴片、金属化通孔和矩形金属片；
辐射贴片沿Y轴印刷在介质基板的上表面，包括工字型贴片和对称布设在工字型贴片两侧的两个T型贴片；
工字型贴片包括纵向连接片和对称布设在纵向连接片两端的两个横向端片；
每个T型贴片均包括横向矩形片和纵向矩形片；
每个T型贴片的横向矩形片与工字型贴片对应侧的横向端片之间均具有等间距的缝隙结构；
矩形金属片沿Y轴印刷在介质基板和空气层之间的接触面上；矩形金属片的两端各通过一个所述金属化通孔与正上方T型贴片的纵向矩形片的尾端相连接。
2.根据权利要求1所述的采用谐振移相结构的反射型超表面单元，其特征在于：工字型贴片和两个T型贴片形成可变谐振电容结构，通过两个金属化通孔连接矩形金属片形成闭合回路；通过调节两个缝隙结构沿X向的长度，能够调节闭合回路中的谐振电容，实现反射型超表面单元的相位变化。
3.根据权利要求2所述的采用谐振移相结构的反射型超表面单元，其特征在于：通过调节两个横向端片和两个横向矩形片的长度，从而能够调节两个缝隙结构沿X向的长度。
4.根据权利要求3所述的采用谐振移相结构的反射型超表面单元，其特征在于：介质基板的边长为15mm；两个横向端片和两个横向矩形片的长度相等，且变化范围均为(2.3mm，15mm)。
5.根据权利要求4所述的采用谐振移相结构的反射型超表面单元，其特征在于：介质基板厚度为1.524mm，相对介电常数为2.2，空气层厚度为1mm。
6.根据权利要求5所述的采用谐振移相结构的反射型超表面单元，其特征在于：两个横向端片和两个横向矩形片的长度变化范围均为2.5mm～14.5mm。
7.根据权利要求5或6所述的采用谐振移相结构的反射型超表面单元，其特征在于：纵向连接片的长度为2.6mm、宽度为2.3mm；两个横向端片和两个横向矩形片的宽度均为1.2mm；纵向矩形片的长度为2.1mm、宽度为2.3mm；矩形金属片的长度为12mm、宽为0.5mm；每个金属化通孔的半径均为0.5mm。
8.一种反射型超表面阵列天线，其特征在于：包括馈源和反射型超表面；
馈源为X频段角锥喇叭天线，用于向反射型超表面进行空间馈电；
反射型超表面采用权利要求1-5任一项所述的反射型超表面单元呈n*n的阵列排布形成；其中，n为正整数。
9.根据权利要求8所述的反射型超表面阵列天线，其特征在于：馈源的馈电方式为正向馈电，极化方向与反射型超表面单元的Y向相一致。
10.根据权利要求8所述的反射型超表面阵列天线，其特征在于：n＝20。
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